Пузырьки и образование пены

Каждый знает, что игристое вино продается в специальных, выдерживающих достаточно высокое давление, бутылках. Это связано с большим количеством углекислого газа, находящегося в таком вине в метастабильном состоянии и готовом высвободится при изменении внешних условий. Так, например, бутылку шампанского можно открыть по-разному, в зависимости от целей, умения и темперамента открывающего: либо, слегка выпустив газ из горлышка, медленно дать пробке выйти из бутылки и разлить напиток без потерь по бокалам, либо в честь Нового Года выпустить пробку в потолок и разлить полбутылки пеной. Так Шумахер, победив в очередном заезде Формулы-1, ухитряется разлить пеной почти все содержимое огромной бутылки. Секрет прост – для получения обильной пены достаточно сильно потрясти бутылку перед открыванием. В результате то небольшое количество газа, которое всегда имеется в горлышке, смешивается с шампанским образуя множество пузырьков. Когда же пробка вылетает, то давление в бутылке резко падает и образованные ранее пузырьки служат центрами выделения растворенного в жидкости углекислого газа по всему ее объему. Бутылка шампанского тут выступает в роли огнетушителя, выражая чувства победителя Формулы-1.

Пузырьки шампанского могут развлекать не только зрителей Формулы-1. Так студенты-физики, удивляют девушек с филологического факультета сидя за бокалом шампанского(или минеральной воды), бросив в него кусочек шоколада. Читатель может убедиться на практике, что шоколад утонет, затем, через некоторое время, всплывет, затем снова утонет и так будет осциллировать несколько раз. Оставим объяснение этого нехитрого фокуса читателю, а сами перейдем к обсуждению других, менее очевидных свойсв пузырьков шампанского.

Говоря о шампанском физик не может обойти молчанием его необычные акустические свойства. Так, в главе 9 мы уже рассказали как пузырьки шампанского обедняют хрустальный звон бокалов. Здесь же мы остановимся на другом явлении – своеобразном шипении пузырьков лопающихся на поверхности шампанского. Понятно, что «колючий» звук лопающихся на пенной поверхности только что налитого в бокал свежего шампанского связан со возникновением в ней своеобразных миниатюрных лавин. Шипящий звук является суммой многих спонтанных взрывов отдельных пузырьков. Совсем недавно бельгийский физик Вандервал с коллегами детально изучил специфику этих микровзрывов. Если бы число взрывов в секунду было бы фиксированным, то мы бы слышали постоянный свист, как от не настроенного радиоприемника. Такой «белый шум» возникает в акустических процессах в случае если частота звука меняется хаотично, в то время как амплитуда сигнала остается постоянной. Исследования же льежской группы показали, что акустический спектр звука лопающихся пузырьков шампанского не имеет ничего общего с белым шумом. Измерение его с помощью чувствительного микрофона показало, что интенсивность сигнала существенно зависит от частоты, и эта зависимость возникает именно благодаря тому, что пузырьки лопаются не каждый сам по себе, а коллективно, влияя один на другой. Каждый пузырек лопается за время порядка 1/1000 секунды. Некоторые такие микровзрывы происходят в быстрой последовательности один за другим и их шум сливается в единый, достаточно громкий, звуковой сигнал. Другие лопаются сами по себе, и их едва слышно.

Пена сходит по мере того как жидкость в стенках пузырьков стекает вниз под действием силы тяжести, делая их слишком тонкими для выживания пузырька. Исследователи изучили этот процесс не на шампанском (чья пена лопается слишком быстро), а на уже знакомой нам мыльной воде, где пена рассасывается медленно, с характерным временем около часа. На таком удобном объекте они изучили зависимость длительности интервалов между последовательными разрывами пузырьков от времени и обнаружили, что эта зависимость имеет степенной характер. Это означает, что не существует характерной длительности такого интервала: время между такими событиями может оказаться любым -- от миллисекунд до нескольких секунд, -- и нет способа предсказать какой именно длительности окажется интервал при данном измерении.

Подобные степенные законы наблюдаются во многих природных явлениях, таких как землетрясения (которые не имеют выделенной амплитуды), сели или сонечные вспышки. Они обычно имеют место в системах в которых взаимодействия между отдельными элементами играют важную роль в поведении системы как целого. Так на лавиноопасном склоне сорвавшийся камешек может как вызвать страшное несчастье, так и просто скатиться вниз.

Я про вино все рассказал, если у меня есть еще пять минут, я расскажу про кофе.

Дата добавления: 2015-03-31